تقویت اثر کشش کولونی در مدارهای نانوالکترونیک

فرض کنید دو رسانا داشته باشیم که نزدیک یکدیگر هستند اما هیچ اتصالی بین آن‌ها برقرار نباشد. با آزمایش‌های دقیق مشاهده شده که اگر یک جریان الکتریکی از یکی از این رساناها عبور کند، در رسانای مجاور آن یک اختلاف پتانسیل و یا یک جریان الکتریکی ضعیف برقرار می شود. به این اثر، کشش کولُمبی (Coulomb Drag Effect) گفته می‌شود. درواقع، علت اصلی این اثر، برهمکنش کولُمبی بین الکترون‌های این دو رسانای نزدیک یکدیگر است.

اثر کشش کولمبی بین نقطه‌های کوانتومی، با توجه به استفاده‌ی فراوان از آن‌ها در نانوالکترونیک، از اهمیت بسزایی برخوردار است. در سال ۲۰۱۶، این اثر در سیستمی شامل دونقطه‌ی کوانتومی که به چهار الکترود فلزی متصل شده بود، مشاهده شد. اما در مسیر دستیابی به شرایط لازم برای مشاهده‌ی این اثر، مشکلات مختلفی از جمله چگونگی مهندسی و ساخت بهینه‌ی این ساختارها برای کنترل اثر کشش کولمبی کماکان مورد بحث و بررسی قرار داشت. به طور نظری نشان داده شده است که برای مشاهده‌ی اثر کشش کولُمبی در این ساختارها لازم است دو شرط برقرار باشد. اول اینکه احتمال تونل زنی الکترون‌ها بین نقطه کوانتومی و الکترودهای متصل به آن، وابسته به تعداد الکترون موجود روی نقطه کوانتومی باشد و شرط دیگر اینکه چگالی حالت‌های کوانتومی الکترودهای متصل به نقطه های کوانتومی هم بایستی وابسته به انرژی و با یکدیگر متفاوت باشند. این شرط آخر، مشاهده‌ی این اثر در نقطه‌های کوانتومی را به مساله‌ای دشوار تبدیل کرده بود چرا که مهندسی و تغییر چگالی حالت الکترودهای متصل به نقطه‌های کوانتومی در آزمایشگاه به سادگی ممکن نیست.

اما اخیرا، یک محقق فیزیک ماده چگال کشورمان با همکاری گروهی از محققان اسپانیایی، روشی را برای تقویت این اثر و کنترل کامل آن در مدارهای شامل نقطه‌های کوانتومی پیشنهاد کرده‌ است. این کار تحقیقاتی توسط آقای دکتر سید مجتبی طباطبائی، فارغ‌التحصیل دکتری دانشگاه شهید بهشتی و پژوهشگر پسادکتری دانشگاه صنعتی شریف انجام شده است. ایده‌‌ی مطرح شده در این تحقیق بر این اصل ساده استوار است که چنانچه یکی از الکترودهای متصل به یکی از نقطه های کوانتومی، یک ابررسانا باشد، به طور خودکار تمامی شرط‌های لازم برای برقراری اثر کشش کولمبی در این سیستم برقرار خواهد شد: از یک سو، برهم‌کنش دوربرد کولُمبی بین دو نقطه‌ی کوانتومی باعث ایجاد ناهمگونی وابسته به پرشدگی نقطه‌ی کوانتومی در احتمال تونل‌زنی الکترون از نقطه کوانتومی به الکترودهای اطرافش می‌شود، و از سویی دیگر، وجود یک گاف انرژی مشخص در چگالی حالت‌های الکترونی ابررسانا باعث ایجاد اختلاف بین چگالی حالت‌های دو الکترود متصل بین یکی از نقطه‌های کوانتومی می‌شود. برای بررسی جامع این اثر، آقای دکتر طباطبائی و همکارانشان از یک روش بسیار دقیق نظری استفاده کرده‌اند که به آن‌ها این اجازه را داده است تا بتوانند یک تصویر کامل از رفتار خطی و غیرخطی اثر کشش کولُمبی در این‌گونه سیستم‌ها برای دماهای مختلف و همچنین اتصال‌های ضعیف تا قوی ارائه دهند.

نتایج این تحقیق در مجله بسیار معتبر Physical Review Letters که از جمله نشریات گروه ب معرفی شده توسط فدراسیون سرآمدان علمی کشور است، به چاپ رسیده است. برای مشاهده جزئیات بیشتر، لینک مقاله را کلیک نمایید.